에너지 효율, 75%는 폐열로 소모돼

수송산업 분야의 에너지이용은 주로 휘발유, 경유, 중유, 제트오일, 부탄 등인데 자동차, 트럭, 기관차, 선박, 항공기 등에 사용된다. 그러나 아쉽게도 이 산업의 에너지효율은 25% 정도이며 나머지 75% 정도의 에너지는 폐열로 대기 중에 분산되고 있다.

사람의 개인적 수송수단으로는 승용차, 비행기, 기차, 전철, 버스를 들 수 있는데 그 에너지효율은 매우 낮으며 전철을 1.0으로 볼 때 승용차는 0.5, 비행기는 0.3, 기차는 0.7, 버스는 1.9이다.

가정 및 상업 분야의 에너지이용은 그 효율이 75% 이상이고 산업 전반적 에너지효율은 평균 80% 이상이다. 에너지효율이란 투입한 에너지에 대한 유익한 동력으로서의 회수율(%)을 말한다.

에너지효율 개선이 관건으로 작용해

변환효율의 상실은 불가피한 경우가 많다. 20세기에 들어서면서 에너지효율의 개선은 실로 괄목할 만하다. 예를 들어 조명의 경우, 1900년경의 100w의 백열등은 겨우 1W를 가시(可視)광선으로 변환하고 나머지 99W는 열로 발산하였다.

100w의 백열등은 5W 이상의 에너지를 빛으로 변환시키고 있다. 이것은 400%의 에너지효율 증가를 말한다. 조명 에너지효율의 증대는 하나의 예이고, 다른 에너지 변환장치에도 많은 기술혁신이 있었다. 20세기의 이러한 기술혁신들은 막대한 연구·개발의 노력과 투자의 성과였다.

인간이 에너지의 형태를 상호 변환시키는 것은 에너지를 생활에 편리하게 이용하도록 변형시키는 것뿐이다. 생활의 편리성이란 그 에너지가 깨끗한가, 수송과 저장이 용이한가, 칼로리가 높은가, 자동적 이용이 가능한가 등 실용적 견지에 의해서 결정된다.

이러한 요건들을 잘 만족시키면 그 에너지는 질이 높고, 충분히 만족시키지 못하면 저질이라고 할 수밖에 없다. 고질에서 저질까지의 서열을 매겨 보면 기계적 에너지 전기적 에너지 화학적 에너지 광(光)에너지 열에너지의 순서이며, 이 서열의 상위에 있는 에너지는 하위에 있는 에너지로 변환하기 쉬우나 역으로 하위의 것을 상위로 변환시키는 일은 어렵다.

또한 형태의 에너지에도 질의 고저가 있다. 수천 도의 열에너지가 있는가 하면 질이 훨씬 낮은 수백 도의 열에너지도 있다. 물리학적으로 보면 고질의 에너지는 이용상 엔트로피의 발산(증대)이 적은 것이라고도 말할 수 있다.

에너지의 질을 논의할 때, 단위부피당 에너지함유량, 즉 에너지밀도에 의존하는 경우도 있다. 석유의 에너지밀도는 788만 7,000kca1/m3이고, 핵융합이나 핵분열 이용을 전제로 한 중수소 연료(重水素 燃料)나 우라늄 연료는 석유의 100만 배에서 1억 배 정도, 수소·플루오르화리튬(LiF) 전지·슈퍼 플라이휠(Super Fly Wheel) 등은 석유의 몇 분의 일 정도, 그리고 납전지 ·잠열 ·압축기체는 석유의 10분의 1에서 수십 분의 1이다.

에너지 질 높이기 위해 농축 및 상호 변환하기도

인간은 에너지의 질을 높이기 위하여 에너지를 농축하고 상호 변환시키기도 하나, 때로는 사용 편의상 저질화시킬 때도 있다. 자연 속에는 낮은 질의 에너지자원의 양은 많이 매장되어 있고, 높은 질의 에너지자원은 적다고 볼 수 있다. 다시 말하면 저질자원은 넓은 범위에 얇게 산재해 있고, 고질자원은 몇 군데에 집중하여 편재해 있다. 현재까지 밝혀진 바에 의하면 에너지의 추정매장량 순서는 핵융합 토륨 232(Th232) 증식, 태양에너지, 우라늄 238(U238) 증식로, 석탄, 해양온도차 열, 우라늄 235(U235), 석유, 풍력, 지열, 천연가스, 수력, 조력 등으로 추정된다. 이 순서는 에너지자원으로서의 부존량을 말하는 것으로 2차에너지로 변환 한 후의 양을 뜻하는 것은 아니다.

오늘날 인간의 경제활동은 점점 더 에너지집약형으로 되어 가고 있다.

에너지이용의 패턴은 시간이 가면서 변천할 것이며, 소비량도 계속 증가할 것이기 때문에 이 증가를 어느 정도 차감시키기 위해 한국에너지기술연구소와 같은 연구기관에서 에너지효율이 높은 기기와 장치, 재료에 대한 기술개발이 이루어지고 있다.

한 번 사용한 물자의 재순환도 에너지소비량을 줄이는 하나의 방법이다. 고철(古鐵)을 써서 강철을 제조하면 원광(原鑛)에 비해 그 에너지 소비가 4분의 1도 안 된다. 폐지를 이용해서 종이를 생산하면 생펄프에서 종이를 제조하는 에너지의 30%도 소요되지 않는다. 농수산 임산 부산물의 폐기물과 도시 폐기물의 에너지화도 에너지생산에 크게 기여할 수 있다.

에너지 이용의 극대화에서 가장 중요한 개선이 있을 수 있는 부문은 발전(發電)이다. 발전 부문에서의 열효율의 증대는 기존 기술의 개량·개선·재구성 등으로도 이를 수 있으나, 기존과 다른 새로운 발전방식의 개발과 실용화가 더 큰 역할을 할 것이다.

이러한 부문에서의 에너지 생산기술의 혁신은 에너지를 주요 원동력으로 하는 인간의 경제·사회활동을 풍요롭게 해 주고 자유롭고 안락하며 편리한 생활을 제공해 줄 것이다.

화학에너지가 청정 바이오에너지로 ‘뜬다’    

2013년 글로벌 3천억달러 규모… 국내 대기업·중소기업 바이오매스 생산 경쟁 

“강동구가 해바라기씨를 활용해 바이오디젤(Biodiesel)을 만들어 보는 ‘바이오에너지 생산 체험농장 프로그램’을 최근 개설해 큰 인기를 모았다. 암사동 132일대에 2,120m2 규모로 조성된 체험농장은 지난해부터 봄에는 유채씨, 가을에는 해바라기씨를 이용해 바이오디젤을 만드는 프로그램을 운영했다. 지난해 처음 개장한 체험 농장에는 총 118회 동안 3,840명이 다녀갈 정도로 높았다.” 

강동구는 2006년부터 전국 지방자치단체 최초로 폐식용유를 활용한 바이오디젤을 만들어 구청 청소차량 31대에 사용, 연간 1억3,000만원의 비용을 절약하는 등 친환경 정책을 실천하고 있다. 

바이오디젤은 식물에서 추출한 기름으로 만든 친환경 무공해 연료로 순수한 상태 또는 경유와 혼합해 난방용, 자동차용 연료로 쓰인다. 식물 씨앗을 압착하는 방법으로 기름을 만드는데 보통 1,500m2당 유채기름은 85ℓ, 해바라기기름은 105ℓ를 채취할 수 있다. 

바이오 화학산업, 신ㆍ재생에너지의 새 패러다임으로 각광 

화석연료의 고갈과 지구 온난화라는 문제에 직면한 인류는 신ㆍ재생에너지 개발의 필연적인 과제에 당면해 있다. 

이런 환경 속에서 원료의 대부분을 석유에 의존하고 있고 온실가스 배출량이 가장 많은 산업 중 하나인 ‘화학산업’이 위기이다. 하지만 ‘화학산업’이 ‘바이오; 를 만나면서 기회가 되고 있다. 

바이오 화학산업은 BT(Bio Technology)와 CT(Chemical Technology)의 융합기술로, 바이오매스(biomass)를 원료로 에너지나 화학제품을 생산하는 산업을 말한다. 특히 바이오매스는 지속적으로 생산할 수 있고 친환경적이기 때문에 바이오화학기술은 석유를 대체하여 지속가능한 성장을 유도할 수 있는 기반기술로 인식되고 있다.

하지만, 국내 바이오산업의 기술수준은 일부 발효기술을 제외하면 세계 수준에 크게 못 미치는 실정이다. 이는 연구개발 및 사업화의 바로미터라 할 수 있는 특허출원에 그대로 나타나는데, 그 한 예로 바이오기술을 활용한 카프로락탐(Caprolactam)의 제조기술이 각광을 받고 있다. 

카프로락탐은 현재는 석유화학 원료를 사용해 화학적 공정에 의하여 제조하는데, 최근 네덜란드, 독일, 미국에서는 바이오매스에서 유래한 당(Sugar)을 원료로 발효기술을 이용해 라이신(Lysine)을 제조하고, 이로부터 생물학적 효소를 이용하여 제조하는 기술을 개발하고 있다.

카프로락탐은 나일론의 원료로 사용되는 외에 타이어코드, 필름, 엔지니어링 플라스틱 등에 광범위하게 사용되는데, 현재 약 120억달러로 추산되는 세계 시장규모는 계속 커질 전망이다. 

바이오 기술을 활용한 카프로락탐 제조기술에 관련된 특허출원을 조사한 결과, 한국특허청에는 2007년, 2008년, 2009년에 각 1건씩 모두 3건이 출원되었는데 모두 외국인 출원(미국 미시건대학 1건, 독일 바스프사 2건)이고, 내국인 출원은 국내는 물론 외국에도 전혀 없는 것으로 나타났다. 

반면, 세계 주요국 특허청에는 모두 26건이 출원된 것으로 조사되었는데, 2005~2008년에는 연간 1~3건에 불과하다가 2009년 들어 8건으로 급격히 증가했다. 

이렇듯 바이오화학산업은 세계적으로 아직까지 성장 초기 단계에 있지만 앞으로 저탄소 녹색기술에 대한 수요에 힘입어 큰 폭의 성장세가 예상되고 있다. 따라서 원유를 전량 수입에 의존하면서도 현재 세계 5위의 석유화학산업 강국으로 도약한 한국은, 이제 그 저력을 바이오화학산업으로 전환하는데 발휘해야 한다는 주문이 일고 있다. 

신성장산업 바이오·에너지 글로벌 기업 경쟁 거세질것

올해 글로벌 기업들은 시장주도권 확보를 위한 공격경영 및 본원적 경쟁력 강화 전략을 펼칠 것으로 전망됐다.

삼성경제연구소가 발표한 ‘2011년 글로벌 기업의 경영 이슈’ 보고서에 따르면 올해 글로벌 기업들은 거시적인 차원에서 글로벌 저성장 기조가 장기화되고 지역 간 성장격차가 확대될 뿐 아니라 기업 간 경쟁이 예전보다 더 격화될 것으로 예상했다. 아울러 원자재가격 상승에 따른 신흥국 인플레이션 발생 등 위험 요인이 산적해 있으며 신성장산업으로 각광받고 있는 바이오·에너지·인프라 산업의 경쟁도 치열해질 것으로 예상했다.

이 같은 예상은 삼성경제연구소가 구미와 일본 등의 선진기업 23개사, 중국·인도·멕시코 등의 신흥국 기업 10개사 등 33개사의 주요 동향을 분석한 결과를 근거로 하고 있다.

이번 조사 결과를 토대로 연구소는 △융·복합을 통한 신성장산업 선점 △신흥국 시장 진출을 필수 전략화 △신흥국 기업의 선진국기업 인수합병(M&A) 확산 △제품·서비스의 스마트화 △경영체제의 유연성 제고 등 5개 경영 이슈를 도출했다.

연구소는 5개 경영 이슈에 대응하기 위해 국내 기업들은 글로벌 선진기업의 견제와 신흥국 기업의 도전에 맞서는 노력을 기울여야 하며 이를 위해 시장주도권 경쟁에 과감하게 투자하고 창조적 조직문화 등으로 적극 대처해야 한다고 지적했다. 또 개방형 혁신을 통해 조직 내외부의 자원과 역량을 자유롭게 동원해 신기술·신비즈니스 모델을 혁신해야 하며 현지발 핵심 역량을 창출해야 하고 체계적·전문적인 위기 대응 시나리오를 확보해야 한다고 덧붙였다.